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协作分集技术研究与上层应用 信道衰落与分集技术 信道衰落是制约无线通信性能的最重要瓶颈之一，各类衰落都会导致系统差错率显著上升，严重降低通信的可靠性。 提高性能的方法是使信息通过多条独立衰落的路径传输，从而只要有一条路径的信号足够强就能保证可靠的通信。 这项技术就是分集技术，它可以极大的改善衰落信道中的性能。 协作分集技术的诞生 多输入多输出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)技术是近十多年无线通信的研究热点之一，其可以提供分集增益而没有占用额外的时间或频率资源 根据Lee模型，对无线衰落信道，手持终端的天线阵列的最小间距是0.2λ，其中λ是载波的波长。由于能量、价格和尺寸等因素的限制，在手持终端使用多根天线具有一定的困难。 协作分集技术可以使单天线终端在多用户或中继环境下通过共享它们的天线而构成能取得空间分集的虚拟MIMO系统，是近几年继MIMO之后的一个新兴的研究方向。 协作与中继 协作分集技术最早源于中继信道的研究，但是又不同于中继：中继用户只是为源用户转发数据，而作同用户既是转发者又是数据源。 中继信道的理论最早是在1979年提出的，这个理论分析了一个由源节点、中继节点和目的节点组成的三节点系统的性能。 协作分集中的许多理论都是从三节点系统中演化而来的。 三点中继系统 阶段1，源发送信息到目的，同时，中继也接收到源发送的信息。 阶段2，中继通过转发或者重新发送源的信息来帮助源。 协作分集技术的基本策略 放大转发协议 当采用放大转发(amplify-and-forward，AF)协议时，中继将接收到的信号放大后转发给目的。虽然中继在放大信号的同时也放大了噪声，但是由于分集带来的增益，同样可以提高整个系统的性能。 放大转发协议性能分析 放大转发的信道可以建模如下。中继和目的接收到源发送的信号为： 在AF协议下，中继只是简单地将接收信号用一个因子βr量化，使发送信号为βrys,r发射的功率P与源的发射功率相同 目的接收到的信噪比是来自源和中继两个 链路的信噪比之和。源到目的的信噪比为： 放大转发协议性能分析 目的在阶段2接收到的信号为： 通过源和中继两条链路，目的接收到了信号x的两个副本。最大化总信噪比的最优方法是最大比合并（MRC）。在已知hs,d、hs,r和hr,d的情况下，MRC输出的瞬时信噪比为 其中 放大转发协议性能分析 从上式看出，放大转发下瞬时互信息量是衰落系数的函数，为 其中 中断概率可以通过对指数分布的信道增益进行平均后获得： 其中，2R中的因子2是因为协作将一半的带宽分给了中继，因而丧失了一半的带宽。中断概率随着的变小而减小，这就意味着AF协议可以获得的分集阶数为2。 当速率为2bps/Hz时，上图描述了中断概率随信噪比的变化。从图中曲线的斜率可以很清楚的看到，AF达到的分集阶数为2。 当信噪比固定为30dB，上图描述了中断概率随频谱效率的变化。为了研究增加传输速率对中断概率的影响我们选择了较高的信噪比，这样可以将其与信噪比的影响分开来。从图中可以明显地看出，性能随着速率R的增加而变差，但是当采用AF协议时，性能变差的更快，这是因为其内在的频谱损失。在足够高的R下，直接传输比协作传输更有效。 译码转发协议 当采用译码转发(decoded-and-forward，DF)协议时，中继将接收到的信号译码并重新编码后转发给目的，这样可以消去噪声，以避免AF模式中中继对噪声功率的放大。 译码转发协议性能分析 尽管DF比AF有降低中继处加性噪声的优势，但是中继有可能向目的端转发错误的信号，这就导致错误传播，进而降低系统性能。源到目的之间的互信息量受限于源到中继的链路及源到目的、中继到目的的联合链路的较小互信息量。更具体的，译码转发传输的互信息量作为信道衰落的函数可以写成： DF系统的中断概率由Pr[IDFR]给出。因为log是一个单调函数，中断事件就等价于 译码转发协议性能分析 中断概率为 因为信道时瑞利衰落的，则上述变量都是参数为1的指数随机变量。对信道进行平均，则在高信噪比下，DF的中断概率为 可以看出，DF方案的分集阶数为1，因为系统的性能被源到中继和源到目的中继到目的联合链路中最差的链路所限制。 例 考察DF中继的中断概率，并将它与直接传输进行比较。假设源到目的的信道方差σs,d为1；而源到中继和中继到目的的信道方差为0.5；噪声方差为1。 上图描述了当信噪比固定为30dB时中断概率随频谱效率的变化。 从图中可以明显地看出，性能随着速率R的增加而变差，同样，在分集上DF中继与直接传输相比没有任何优势。 AF与DF的比较 压缩转发